磁共振T2mapping、T1rho序列對膝骨關節炎定量成像的研究進展

　　膝骨關節炎是一種常見的退行性關節疾病，隨著年齡的增大，發病率明顯升高，每10例男性中就有1例患病，而60歲以上的女性中幾乎有一半患病。膝骨關節炎是造成殘疾的主要原因，給家庭、社會造成巨大的經濟負擔。膝骨關節炎的危險因素有很多，包括年齡增長，肥胖，遺傳因素，營養，參與體力勞動、密集型工作或運動，以及有創傷性事件如關節內骨折或半月板撕裂。

　　研究表明，早期確診膝骨關節炎后，如減肥療法等干預措施可能具有修改甚至逆轉疾病進程的能力。正因為如此，臨床急需尋找一個敏感、可靠且精確的工具，以期早期診斷膝骨關節炎，并進行療效評價以及預后評估。磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）生理學定量成像可以在形態學發生變化之前將關節軟骨分子水平細胞外基質發生的變化反映出來，是一種早期診斷關節軟骨退變的影像學方法。

　　MRI生理學成像方法近年來發展十分迅速，現已成為膝骨關節炎早期診斷以及定量評估的重要研究方法之一。T2 mapping和T1ρ旋轉坐標系下的自旋晶格弛豫時間（the spin-lattice relaxation in the rotating frame，T1rho）成像技術均屬于MRI生理學成像方法，由于設備要求簡單，無特殊要求，且成像時間較短、不必引用對比劑、擁有較高的圖像分辨率等優點而獲得極大關注，成為研究熱點。現就T2mapping和T1rho在膝骨關節炎中的應用進行綜述，以期為診斷、治療以及預防膝骨關節炎提供新的方法。

　　1.膝骨關節炎的發病機制

　　膝骨關節炎的標志是關節軟骨的退化改變，關節軟骨是一種重要的解剖結構，其目的是為關節提供光滑、低摩擦的表面。與其他組織相比，關節軟骨的細胞含量相對較低，形狀各不相同，關節表面的細胞具有相對平坦的外觀，而更深區域的細胞結構則相對較圓。關節軟骨的主要成分是由80%水分子構成的細胞外基質、Ⅱ型膠原纖維以及蛋白多糖分子。關節軟骨最重要的生物力學性質是黏彈性，這種黏彈性主要來源于膠原蛋白聚糖基質的固有性質，部分來源于施加載荷期間及之后，在組織間流入流出的基質所產生的摩擦阻力。

　　關節軟骨結構可分為表層、中間層（過渡層）、放射層以及鈣化層。鈣化層可將軟骨固定在軟骨下骨上；放射層與高度各向異性的膠原纖維有關；中間層含有較少的各向異性膠原纖維，優化了其抵抗剪切力的能力；表層中的膠原纖維很大程度上平行于下面的骨骼。淺表區域中的膠原纖維具有優選取向，主要取決于位置，如內側髕骨面上的軟骨用針刺破，分裂線將形成近端到遠端的取向，但如果是外側髕骨面上的軟骨被刺破，則分裂線將出現在外側向內側定向。拉伸平衡模量取決于拉伸載荷是平行還是垂直于局部分裂線取向施加的。

　　關節軟骨沒有血管，這限制了其在受傷后的愈合能力，關節軟骨也缺乏傷害感受器，因此在其他組織受累之前，軟骨損傷往往不易察覺。在膝骨關節炎早期，細胞外基質逐漸被降解，蛋白聚糖含量降低，游離水含量增加，膠原纖維變得更加紊亂。T1rho和T2mapping（采用多回波自旋回波序列，測量不同回波時間的MRI信號強度）這兩種MRI檢查技術可用于檢測蛋白多糖的消耗以及膝骨關節炎早期其他的生化改變。

　　2.MRI生理學定量測定

　　2.1T1rho

　　T1rho成像原理的基礎是梯度回波或自旋回波序列，其反映的是自旋晶格弛豫時間。磁化矢量從縱軸翻轉到橫軸上時，在其橫向方向上給予兩次不同相位的自旋鎖定脈沖，同時射頻磁場B1鎖定旋轉坐標系弛豫，磁化矢量變為有序或自旋鎖定，自旋鎖定的磁化矢量根據T1rho時間常數在旋轉坐標系中自旋晶格弛豫。隨著自旋鎖定時間（spin-locking times，TSL）的不斷增加，不同強度的T1rho加權信號被收集，同時T1rho圖被算出。MRI檢查時，患者被放置在靜態磁場內，身體中的質子在磁場周圍運動，使得所有單個質子的磁矩之和（凈磁化矢量）變為非零，然后施加射頻脈沖，將縱軸方向的磁化矢量翻轉到橫軸上。

　　在常規MRI中，當射頻脈沖關閉時質子發生相移，發生T1弛豫和T2弛豫，從而產生圖像對比度。常規MRI序列可以對關節軟骨進行形態學評估，但反映軟骨生化特性的信息較少，可利用磁共振脈沖序列獲取關于組織生物化學性質的數據。T1rho是適用于軟骨成像的技術，T1rho初始射頻脈沖之后是長時間的低功率射頻脈沖，該脈沖可用于TSL的用戶自定義時間設置以及自旋鎖定橫向平面的磁化。自旋鎖定脈沖也抑制縱向弛豫（T1），T1rho描述了旋轉坐標系中自旋晶格弛豫的特定自旋鎖定頻率，由射頻脈沖的功率決定。因此，任何射頻脈沖強度下，給定組織的T1rho值總是高于相同組織的T2值。

　　為確定不同組織的T1rho值，需獲得幾個MRI采集，每個采集具有略微不同的TSL，然后使用曲線擬合指數衰減模型，以體素為基礎獲得T1rho的衰減時間常數。基于獲取的T1rho數據集，計算出軟骨區域的T1rho值，可以采用顏色編碼圖的形式呈現出來。T1rho是軟骨成像中的敏感參數，其對運動受限的水分子質子，以及正常關節軟骨細胞外基質中的蛋白多糖大分子間的相互作用比較敏感。關節軟骨的蛋白多糖含量在膝骨關節炎的早期階段即開始減少，這很可能是更少的水分子與蛋白聚糖結合導致了T1rho值的增加。因此T1rho提供了一種量化蛋白多糖丟失的方法，并可鑒定軟骨是否有可能進入不可逆的膝骨關節炎后期階段。在膝骨關節炎早期階段，T1rho值也與膠原纖維紊亂呈正相關。目前T1rho不僅被用于研究關節軟骨退變，還可用于研究膝關節半月板等纖維軟骨的結構。

　　2.2T2mapping

　　T2mapping是軟骨橫向弛豫時間T2值的空間分布圖，通過多回波自旋回波序列的數據計算，T2值是同一組織下同一場強的穩定指標。T2值是一個時間常數，描述磁場中水質子之間發生能量轉移的速率，從而導致信號的去相位。T2值主要受軟骨水含量和周圍膠原排列兩方面的影響，當軟骨細胞外的基質膠原被破壞或軟骨細胞內水含量增加可導致T2值延長。在正常關節軟骨中，T2值取決于各個層面膠原的密度和結構。水質子是通過與結構良好的膠原纖維組織上的基質大部分結合到位，允許快速去相位，因此T2值可以降低。膠原纖維均勻密集的分布在軟骨表層，呈一種平行于軟骨表面的趨勢，并且在下一層的過渡區隨機排列分布。底層膠原纖維垂直排列于軟骨表面，T2值受其影響呈自表層向深層遞減的趨勢。

　　在膝骨關節炎關節軟骨中，膠原纖維變得紊亂，并且存在更多流動的水質子，導致較高的T2值。T2值的數值和空間差異與年齡密切相關。研究顯示，當年齡不斷增長時，軟骨表面的膠原纖維會進行重塑，不同層面軟骨間的T2值以及關節軟骨的T2值均會增加。因此T2可用作軟骨退變的定量生物標志物，有助于評估蛋白多糖的消耗。與T1rho值一樣，T2時間常數也可通過獲取多個圖像組獲得，每個圖像組的回波時間略有不同。定量評估以逐個體素為基礎獲得T2常數的曲線擬合指數衰減模型。T2mapping是一種應用范圍非常廣泛的技術，已成功用于多中心膝骨關節炎影像學成像研究，有研究采用具有7個回波的多回波自旋回波序列。

　　T2mapping可以區分關節區域的軟骨，如放射區具有較低的T2值（暗信號），因為此區域包含高度各向異性的膠原纖維；而過渡區具有較高的T2值（亮信號），因為該區域不僅含有較少的各向異性膠原纖維，而且還含有更多的水分。對淺層、過渡層以及深層的單獨分析可以更靈敏地檢測T2值的變化。Mosher等的研究顯示，不僅T2值從較深的軟骨層向較淺層移動時不均勻，而且從關節表面中心向關節表面邊緣移動時，T2值也不均勻。在人體膝關節中，股骨髁前后緣的軟骨具有比位于中心的軟骨更高的T2值，因為此處位置的膠原纖維更傾斜。這種區域分化受魔角效應的強化，其中與主磁場成55°的高度各向異性膠原纖維表現出T2弛豫時間延長。

　　雖然魔角效應目前也用在T1rho中，但效果不如T2mapping中明顯。高齡是膝骨關節炎的危險因素，因此也有很多研究評估年齡增長對軟骨T2值的影響。Mosher等的研究顯示，年齡的增加與軟骨T2值的升高相關，46～65歲的患者與18～30歲的患者相比，在關節軟骨淺表區可以檢測到增加的T2值，支持關節衰老的理論。膝骨關節炎在影響軟骨深層之前，先影響軟骨淺表層。Rauscher等和Chiang等的研究顯示，在膝關節半月板組織中，年齡與T2值呈正相關。Friedrich等發現，關節畸形患者的膝關節軟骨的T2值升高。研究發現，運動后即刻軟骨的T2值短暫下降，這是急性關節負荷引起的軟骨水含量暫時下降的結果。劇烈運動對軟骨T2值的影響與輕度運動的影響相反，尤其是在膝骨關節炎發展進程中同時具有其他風險因素的患者。如完成馬拉松48～72h后，運動員膝關節軟骨T2值增加，3個月后恢復到基線，而軟骨T1rho值也增加，但3個月后未恢復到基線。以上提示，長距離跑步可能會對膝關節軟骨造成不可逆轉的損害。

　　2.3T1rho與T2mapping的比較

　　盡管T1rho和T2mapping均為軟骨退化的無創檢測手段，但兩者之間存在顯著差異。早期研究認為，T1rho可能優于T2mapping，因為T1rho能檢測蛋白多糖的消耗，而T2mapping只能檢測水含量和膠原纖維組織的變化。由于蛋白多糖消耗先于水含量和膠原纖維組織在膝骨關節炎的改變，因而T1rho可較T2mapping更早地反映膝骨關節炎的生化改變。但T1rho和T2值可顯示不同的空間分布，因此兩者可以提供補充信息。

　　2.4T1rho和T2mapping面臨的挑戰

　　盡管T1rho和T2mapping檢測膝骨關節炎的早期生化改變對于確定可從早期治療干預中獲益的患者是非常有利的，但這兩種技術還存在若干與技術和后處理相關的問題，這些阻礙了這兩種技術的廣泛應用。從成像的角度來看，這兩種技術的掃描持續時間過長，掃描期間對運動敏感以及掃描間期移位會導致定量困難。目前還沒有被廣泛接受的用于T1rho和T2定量分析關節軟骨的商業軟件。這些基于手動或半自動感興趣區域的分析技術都耗費時間，并受操作者影響。最近開發了一些全自動后處理方法，如基于體素的測量法。此外當前缺乏足夠的T1rho和T2值的參考數據庫。

　　Joseph等建立了第1個形態學正常的膝關節軟骨T2值參考數據庫，但該數據庫是基于45～65歲的481例受試者。執行T1rho時選擇合適的TSL也至關重要，正如在執行T2mapping時選擇合適的回波時間一樣，因為過長的TSL和回波時間會導致誤導性的T1rho和T2值以及低信噪比和噪音比。另外，不同廠商之間的數據采集技術還缺少標準化，但縱向體模研究表明，只要采集參數保持一致，可在不同部位獲得可重復的T1rho和T2值。

　　3.T1rho和T2mapping在前交叉韌帶損傷后膝骨關節炎中的應用

　　前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷非常普遍，尤其好發于年輕和喜歡運動的人群中。據估計，多達半數患有ACL撕裂的患者可繼續發展成膝關節創傷后膝骨關節炎，ACL撕裂可引起膝關節不穩定，導致膝關節后內側和外側關節的接觸應力增加。ACL損傷受傷后1年的隨訪發現，ACL撕裂在后外側脛骨平臺軟骨和內側股骨髁負重表面軟骨的T1rho值持續升高。ACL重建手術6個月后，患者股骨內髁軟骨內T2值升高。

　　4.小結

　　T1rho和T2mapping是兩種MRI技術，在軟骨退化的無創MRI生理學定量測定中具有重要作用。每種技術都有其獨特的優缺點：T1rho能夠較T2mapping更早地檢測到膝骨關節炎的變化，但T2mapping較T1rho具有更廣泛的商業可用性。T1rho和T2mapping已被用于研究導致膝骨關節炎軟骨改變的風險因素，如年齡、關節錯位以及身體運動等，T1rho和T2mapping也用于研究ACL損傷后與膝骨關節炎之間的復雜關系。

　　其他研究軟骨退變的MRI生理學定量測定序列如延遲對比增強技術、鈉MRI成像等也存在自身缺點，如需要靜脈注射造影劑，而且延遲對比增強技術并不總是可行的，而鈉MRI技術主要使用并非臨床普遍應用的7T掃描儀進行掃描，且生成的圖像信噪比低。相比之下，T1rho和T2mapping技術為非侵入性，不需要靜脈注射造影劑，并且能生成信噪比相對較高的圖像，因此具有更廣泛的應用價值。在今后應著重研究T1rho和T2值的參考數據庫，優化T1rho和T2mapping技術。